الاهتزاز الخفي: حل مشكلة تكوين حبات اللحام تحت الغطاء في وحدات التردد الراديوي

أخطر صوت في خط تصنيع الترددات الراديوية هو الصوت الذي لا يمكنك سماعه فوق آلات الالتقاط والموضع: الرجة المجهرية لحبة اللحام، التي لا تزيد عن حجم حبة رمل، تتدحرج بحرية داخل درع تردد راديوي مغلق.

في خط الإنتاج، تجتاز هذه الوحدة كل اختبار كهربائي. يعمل مضخم الضوضاء المنخفضة (LNA) بشكل مثالي. تتطابق المقاومة. يتم شحن اللوحة، وتثبيتها في وحدة تيليماتيكس أو وحدة رادار السيارات، وتخرج إلى العالم. تبدو كأنها وحدة "مثالية"، حتى يصطدم المركبة بحفرة أو تنخفض درجة الحرارة تحت الصفر. عندها، تتحرك تلك الكرة الصغيرة من سبيكة القصدير والفضة والنحاس. تحشر نفسها بين مكثف 0201 وجدار الدرع، أو تربط بين دبابيس على QFN. تموت الوحدة على الفور — أو الأسوأ، تبدأ في التقطع في الأداء.

هذا ليس وضع فشل نظري. إنه حتمية ميكانيكية إذا كان عمليتك تعتمد على تصميمات الفتحات القياسية للمناطق المحمية. الآلية خادعة لأنها نادراً ما تكون فورية. يمكن لحبة فضفاضة أن تبقى بلا ضرر في منطقة "آمنة" من الركيزة لأشهر. تحتاج إلى طاقة للتحرك إلى وضع القتل. في اختبار الاهتزاز، قد ترقص الحبة دون أن تسبب قصرًا كهربائيًا. لكن في الميدان، يخلق مزيج الاهتزاز والتوسع الحراري مسارًا حتميًا للفشل. الحبة لا تتدحرج فقط؛ بل تُدفع.

قد تفترض أن الحبة الموجودة ستسبب قصرًا فورياً أو لا تسبب شيئًا على الإطلاق، لكن هذا يبسط الفيزياء داخل العلبة المغلقة بشكل مفرط. البيئة تحت درع التردد الراديوي هي مناخ دقيق مميز حيث لا تنطبق قواعد توتر سطح اللحام وديناميكيات سائل التنظيف القياسية. تعامل المنطقة تحت الدرع كما لو كانت بقية اللوحة، وأنت تصمم قنبلة موقوتة.

محطة الضخ الحراري

غالبًا ما ترتفع هذه الأعطال بعد النشر الميداني — تحديدًا بعد دورات الشتاء/الصيف — بسبب عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE). أنت تتعامل مع لوحة رقائق (FR4 أو سلسلة Rogers 4000)، وإطار درع معدني (غالبًا نيكل-فضة أو فولاذ مطلي بالقصدير)، ووصلات اللحام التي تربطهم. هذه المواد تتمدد وتتقلص بمعدلات مختلفة. عندما ينتقل المركبة من -40 درجة مئوية في المرآب إلى +125 درجة مئوية تحت الحمل التشغيلي، ينحني إطار الدرع. لا يتمدد فقط للخارج؛ بل يشوه وينحني حسب الهندسة المختومة.

يخلق هذا الانحناء حركة ضخ. إذا كانت حبة لحام محاصرة في بقايا الفلكس بالقرب من الإطار، فإن التمدد والانكماش المتكرر يعملان كمكنسة بطيئة الحركة. يدفعان الحبة، دورة بعد أخرى، نحو مسار أقل مقاومة. في تخطيط تردد راديوي كثيف، يؤدي هذا المسار غالبًا مباشرة تحت دعامة مكون. لقد رأينا مقاطع عرضية لوحدات معادة حيث لم تكن حبة اللحام تستقر فقط بجانب مكثف؛ بل دفعها حركة الدرع الحرارية ميكانيكيًا إلى الأسفل، مما سحق الحبة إلى شريحة موصلة مسطحة تسببت في قصر بين الأطراف. لم يكن الفشل عشوائيًا؛ بل دفعت فيزياء التجميع الحبة إلى مكانها.

يحاول بعض مهندسي الموثوقية حل هذا بتجميد كل شيء بمركبات التعبئة أو التثبيت. يفترضون أنه إذا لصقوا المكونات، فلن تتحرك الحبات. هذا غالبًا ما يكون خطأ في تطبيقات الترددات الراديوية عالية التردد. إضافة مركب تثبيت يغير الثابت العازل حول دوائرك المضبوطة، مما يغير ضبط الفلتر أو المضخم الذي تحاول حمايته. علاوة على ذلك، ما لم تكن التعبئة خالية تمامًا من الفراغات، فإن عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين الإيبوكسي والدرع يمكن أن يمزق المكونات من الوسادات خلال نفس دورات الحرارة التي تحاول النجاة منها. لا يمكنك اللجوء إلى اللصق لحل عيب في العملية.

في النهاية، ستنتصر فيزياء التمدد الحراري دائمًا على جسيم موصل فضفاض. إذا كانت الحبة موجودة داخل العلبة، فإن احتمال الفشل يقترب من 100% مع مرور الوقت الكافي. الاستراتيجية الوحيدة الصالحة للموثوقية هي التأكد من أن الحبة لا تتشكل في المقام الأول.

وهم التفتيش

هناك خرافة منتشرة في التصنيع تقول إنه يمكنك فحص الجودة داخل المنتج. بالنسبة لعيوب تحت العلبة، هذا خطأ موضوعي. لا تعتمد على الأشعة السينية ثنائية الأبعاد أو حتى 5DX (الأشعة السينية ثلاثية الأبعاد) لالتقاط هذه الحبات بشكل موثوق. يكافح نظام الأشعة السينية لتمييز بين حبة لحام تستقر بلا ضرر على مستوى الأرض وحبة ملتصقة بالجدار الرأسي لعلبة الدرع. كلاهما يظهر كدوائر داكنة في صورة التدرج الرمادي. إذا شددت العتبات لالتقاط كل حبة محتملة، يرتفع معدل الإنذارات الكاذبة، ويبدأ المشغلون في تجاهل الجهاز. إذا خففتها، ترسل عيوبًا. الدرع نفسه هو قفص فاراداي للضوء وقطعة مربكة للأشعة السينية.

الغسيل غير فعال بالمثل. غالبًا ما نرى مهندسي العمليات يزيدون الضغط على منظفات المياه الخطية، على أمل تفجير الحبات. لكن حبة اللحام المعاد تدفقها غالبًا ما تثبتها بقايا الفلكس اللزجة. لإزاحتها، تحتاج إلى اصطدام مباشر بسائل التنظيف، وهو ما يمنعه درع التردد الراديوي. فتحات التهوية في الدرع القياسي مصممة للتهوية الحرارية، وليس لديناميكيات السوائل. تدفقات الغسيل عالية الضغط تنعكس ببساطة عن غطاء العلبة. والأسوأ، يمكن لمياه الغسيل أن تدخل العلبة، تذيب بعض الفلكس، ثم تفشل في التصريف الكامل، تاركة بركة من الحساء الموصل التي تجف لاحقًا إلى نمو شجيري. أنت تستبدل قصرًا صلبًا بتسرب تيار ناعم.

أحيانًا، سترى تصميمًا يستخدم مشابك درع قابلة للتركيب بدلاً من إطار ملحوم. الحجة هي أنه يمكنك غسل وفحص اللوحة قبل تثبيت الغطاء. بينما يحل هذا مشكلة الفحص، فإنه يسبب مشاكل تسرب الترددات الراديوية ومخاطر الاهتزاز التي لا توجد في الأُطُر الملحومة. إذا كان أداء الترددات الراديوية لديك يتطلب إطارًا ملحومًا، يجب أن تقبل أنك لا تستطيع غسل أو فحص المنطقة تحته بفعالية. أنت تعمل في الظلام.

حمية الفتحة: تصميم القالب كحل وحيد

السبب الجذري لتكوّن خرّازات اللحام تحت الدرع هو في الغالب حجم معجون اللحام الزائد. الحل يكمن في تصميم فتحة القالب، وبالتحديد في منطقتين: وسادات الأرض الكبيرة لإطار الدرع والمكونات السلبية المتداخلة بداخله.

عندما تطبع المعجون على وسادة أرض كبيرة لإطار الدرع، فإن فتح فتحة بنسبة 1:1 كارثة. أثناء إعادة التدفق، يغوص الدرع الثقيل في اللحام المنصهر. يجب أن يذهب اللحام المزاح إلى مكان ما. إذا اندفع عموديًا، فإنه يبلل جدار الدرع. إذا اندفع أفقيًا، فإنه يشكل أقمارًا صناعية — كرات من اللحام تنفصل عن اللحام الرئيسي. هذه هي خرّازاتك. لمنع ذلك، يجب عليك تقليل حجم المعجون بشكل كبير. لا تطبع أبدًا تغطية 100% على وسادة أرض الدرع.

النهج القياسي في الصناعة هو تقليل "لوحة المنزل" أو "نافذة الزجاج". تقوم بتقسيم الوسادة الخطية الطويلة إلى مقاطع أصغر، غالبًا مع تقليل إجمالي مساحة التغطية إلى 50% أو 60%. هذا يمنح المتطايرات في الفلكس مسارًا للهروب (انبعاث الغازات) دون تفجير اللحام، ويوفر منطقة عازلة للحام المنصهر المزاح ليتوسع فيها دون الانفصال عن الكتلة الرئيسية. إذا كنت ترى خرّازات، يجب أن تكون خطوتك الأولى هي سحب ملفات جيربر وفحص تقليل الفتحة. إذا كانت فوق 80%، فقد وجدت مشكلتك.

المصدر الثاني هو "خرّازة منتصف الشريحة"، التي تتكون تحت جسم مكونات الرقاقة 0402 أو 0201. يحدث هذا عندما ينهار معجون اللحام المطبوع على الوسادات أو يُضغط تحت جسم المكون أثناء التثبيت. عند إعادة التدفق، يجذب العمل الشعري اللحام إلى المركز، حيث يتجمع في خرّازة مخفية. تحت الدرع، هذا قاتل لأن الخرّازة محاصرة. الحل هنا هو استخدام شكل فتحة "لوحة المنزل" لوسادات المكونات نفسها — إزالة المعجون من الحافة الداخلية للوسادة لمنعه من التدفق تحت المكون.

لا تخلط بين خرّازات اللحام الفعلية وتراكم بقايا الفلكس. غالبًا ما يصاب مهندسو الترددات الراديوية بالذعر عند رؤية انحراف VSWR ويلومون "التلوث". بقايا الفلكس حتمية في عملية عدم التنظيف. إنها تغير الخصائص العازلة قليلاً، ولكن على عكس خرّازة اللحام، فهي ليست قصرًا كهربائيًا موصلًا. لا تدع الفريق يخلط بين الاثنين. يمكنك ضبط الدائرة لتعويض بقايا الفلكس؛ لا يمكنك ضبطها لتعويض كرة معدنية فضفاضة.

تنفيذ هذه التغييرات في القالب رخيص. قالب جديد يكلف بضع مئات من الدولارات. إعادة العمل على ألف وحدة حيث تضطر لاستخدام محطة هواء ساخن لرفع درع ملحوم — مما يطبخ المكونات المجاورة ويدمر وسادات PCB في العملية — يكلف عشرات الآلاف. الحساب قاسٍ وبسيط. تدفع مقابل تصميم القالب، أو تدفع مقابل الخردة.

الهندسة القاسية

أخيرًا، احترم القيود الفيزيائية لعملية التجميع خلال مرحلة التخطيط. غالبًا ما يضع المصممون المكثفات أو المقاومات على بعد 0.2 مم من جدار الدرع لتوفير المساحة. هذا سوء ممارسة. عندما يتم وضع إطار الدرع، يمكن لأي انحراف طفيف أو انحراف في آلة الالتقاط والموضع أن يجعل الإطار يقع على وسادة المكون أو على المكون نفسه. حتى لو لم يصطدم، فإن القرب يخلق "فخ الفلكس" حيث يمكن للقوى الشعرية سحب اللحام من وسادة المكون إلى جدار الدرع، مكونًا جسرًا.

لا يوجد ملف إعادة تدفق سحري يصلح الهندسة السيئة. يمكنك تعديل وقت النقع لتنشيط الفلكس بلطف، ويمكنك ضبط درجة الحرارة القصوى لتقليل الانهيار، لكن هذه مكاسب هامشية. إذا كان قالبك يطبع معجونًا كثيرًا، أو كانت مكوناتك قريبة جدًا من الدرع، فإن فيزياء التوتر السطحي ستخلق خرّازات. الطريقة الوحيدة لضمان وحدة ترددات راديوية موثوقة هي حرمان الوصلة من اللحام الزائد ومنح العملية مجالًا للتنفس.